Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Современное развитие гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ высокой плотности требует применение различных видов линий передач (ЛП). Проектирование и исследование их характеристик являются неизменным процессом последующего совершенствования функционального назначения ГИС СВЧ. Применение в конструкции ГИС СВЧ новых видов ЛП может решить проблему их многозадачности и многофункциональности.
Одной из базовых ЛП является симметричная щелевая линия (СЩЛ), которая представляет собой узкую щель, вырезанную в проводящей плоскости, расположенной на одной из сторон плоскопараллельного магнитодиэлектрического слоя определенной толщины, образующего подложку. Низкие потери, незначительное искажение сигнала, высокая пропускная способность, электромагнитная совместимость, широкий диапазон рабочих частот, высокое электромагнитное сопротивление, наряду с простотой и низкой стоимостью производства, а также высокой интегрируемостью с различными пассивными цепями и активными устройствами и другие характеристики базовой СЩЛ были ранее описаны, например, в [1, 2].
В целях улучшения характеристик базовой СЩЛ в [3] были рассмотрены ее варианты с применением диэлектрической вставки в щели. Полученные результаты свидетельствовали об улучшении характеристик базовой СЩЛ.
Цель работы — методом математического моделирования — методом конечных элементов рассчитать влияние ширины щели модифицированной симметричной щелевой линии (МСЩЛ) на ее характеристики для применения в конструкции ГИС СВЧ- и КВЧ-диапазонов.
Для проектирования, расчета и создания схем, блоков, устройств и изделий СВЧ были разработаны и успешно применялись различные проекционно-вариационные методы, которые в связи с усложнением функционального назначения радиоэлектронной аппаратуры не обеспечивают необходимой точности решения математических моделей.
С развитием численных методов и электронно-вычислительной техники появилась возможность точного расчета схем, узлов и др., в том числе и ГИС СВЧ- и КВЧ-диапазонах. Одним из современных методов проектирования сложных электродинамических задач при проектировании планарных линий передачи является метод конечных элементов (МКЭ), который основан на дискретизации расчетной области и применении функций непрерывного аргумента — сеточных функций [4]. Исходя их этого, при расчете планарных ЛП, и в том числе МСЩЛ, исследуемый объект может иметь любую геометрическую форму и электромагнитную среду; также можно моделировать любые граничные условия; вычислительный алгоритм удобен для реализации с помощью средств вычислительной техники.
МКЭ использовался, например, при расчете характеристик ЛП в [1–3] и других работах. Математическое моделирование геометрических и электрических характеристик МСЩЛ показало, что заполнение щели диэлектриком с определенным соотношением диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего щель, к диэлектрической проницаемости материала подложки, позволяет существенно расширить рабочий диапазон частот, снижение вносимых потерь мощности проходящего сигнала.
Конструкция МСЩЛ (рис. 1) представляет собой открытую волноведущую структуру, которая содержит щель шириной w, заполненную диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε1, в тонком проводящем слое толщиной t, расположенном на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки с ε, толщиной h. Изготовление рассматриваемой МСЩЛ предусматривает ее реализацию по тонкопленочной технологии.
Заполнение щели полностью диэлектриком позволяет сосредоточить электромагнитное поле внутри щели в диэлектрике и тем самым снизить вносимые потери.
Для расчета МСЩЛ были выбраны приведенные ниже характеристики: щель 3, заполненная диэлектриком, равным t, с ε1 = 16,5 и tgδ = 2·10–3 и выполненная в проводящем покрытии 2 толщиной t, имеет ширину w, и расположена на одной стороне плоскопараллельной диэлектрической подложки 1 толщиной h с диэлектрической проницаемостью ε = 6,15 с tgδ = 2·10–3. Параметры рассматриваемой ЛП соответствуют следующим соотношениям , .
Для определения преимуществ МСЩЛ относительно базовой СЩЛ и СЩЛ с диэлектрической вставкой были проведены расчеты МКЭ.
Оценка эффективности предложенного технического решения, относительно базовой СЩЛ и СЩЛ с диэлектрической вставкой была проведена по значению элемента матрицы рассеяния — коэффициента прохождения по напряжению на уровне –0,2 дБ и представлена на рис. 2. (Значение уровня –0,2 дБ выбирается из соображений компромисса между желаемым уровнем потерь и возможно достижимым уровнем потерь.)
Сравнение результатов расчета МСЩЛ (кривая 1 на рис. 2) со СЩЛ с диэлектрической вставкой (кривая 2 на рис. 2) и СЩЛ (кривая 3 на рис. 2) показывает, что вносимые потери рассматриваемой МСЩЛ уменьшились относительно других ЛП и составили от 13 до 42 %, и, как следствие, расширился рабочий диапазон частот от 5 до 29 %.
Результаты численных расчетов модели МСЩЛ показали, что применение в щели ЛП диэлектрика полностью, заполняющего щель, позволяет получить новую ЛП со значительно большей полосой рабочих частот и меньшими вносимыми потерями. Улучшение характеристик МСЩЛ стало возможным за счет концентрации электромагнитного поля в щели, заполненной диэлектриком с ε1 > ε, что ограничивает возможность возникновения поверхностных волн [5] и образование вытекающих волн и, соответственно, препятствует распространению этих видов волн в данной волноведущей структуре.
Далее в работе рассматривали влияние ширины щели w на характеристики МСЩЛ. Математическое моделирование МСЩЛ было проведено с помощью МКЭ. За основу ЛП была принята МСЩЛ, представленная на рис. 1. В расчетах МСЩЛ использовали геометрические размеры и частотный диапазон, при которых проводили моделирование, соответствовали параметрам ЛП, указанным на рис. 2.
Анализ результатов показывает, что при расширении щели, заполненной диэлектрикомε1, уменьшаются вносимые потери в диапазоне частот от 35 до 80 ГГц для соотношения (кривые 2 и 3 на рис. 3). В частотном диапазоне до 25 ГГц преимуществом обладает ЛП с соотношением (кривая 1 на рис. 3). Следует отметить, что увеличение размеров щели больше для МСЩЛ с характеристиками, указанными на рис. 3, 4, не приводит к улучшению вносимых потерь (см. рис. 3).
Зависимости волновых сопротивлений, представленные на рис. 4 показывают почти плавное изменение в широком диапазоне значений от 140 до 68 Ом, что позволит осуществить совместимость с другими линиями передач, например, с несимметричной полосковой линией.
Рассмотренное конструктивное исполнение МСЩЛ представляет огромный потенциал для инженеров, которые проектируют схемы, узлы, блоки и другие устройства СВЧ- и КВЧ-диапазонов. В такой структуре за счет изменения геометрических размеров можно изменять не только диапазон волнового сопротивления, но и рабочий диапазон частот, повторяемость устройства, его технологичность.
